隧道仰拱的常見病害原因及處理對策

黃 釩

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，截止到2018 年底全國公路總里程484.65 萬公里，其中公路隧道17738座，里程達(dá)17236 公里。為改善隧道結(jié)構(gòu)受力條件，在隧道底部設(shè)置反向拱形結(jié)構(gòu)，即仰拱，其作用主要是對上部支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件進(jìn)行改善。作為組成隧道結(jié)構(gòu)所不可或缺的部分，仰拱的作用并不僅僅是借助隧道邊墻結(jié)構(gòu)，將地層壓力、路面荷載向地下進(jìn)行傳遞，還包括對地層所傳來反力進(jìn)行抵抗。

1 隧道仰拱常見病害原因

仰拱是隧道主要部分之一，對隧道穩(wěn)定性及長期運(yùn)行有直接影響。而新建與已經(jīng)長時間運(yùn)營的隧道，其底部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的裂縫和錯臺，對行車安全造成嚴(yán)重影響。仰拱結(jié)構(gòu)的病害包括：底板開裂和變形、側(cè)溝開裂和變形、底板沉陷、面層翻漿、隆起。無論仰拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生哪一種病害，都有可能使其處在不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，必須認(rèn)真對待和處理所有類型的病害。

1.1 基底軟化

主要由兩方面因素造成：其一，圍巖，仰拱產(chǎn)生病害的部位主要為圍巖情況較差的部位，其巖性偏軟，這種巖性在遇水后將發(fā)生軟化，導(dǎo)致圍巖進(jìn)一步劣化，出現(xiàn)塑性變形，圍巖技術(shù)參數(shù)大幅降低，導(dǎo)致承載力減小，受到側(cè)向壓力后，邊墻產(chǎn)生內(nèi)側(cè)擠壓，荷載因此進(jìn)一步增大。局部隧道在高地應(yīng)力等因素的影響下，還會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的病害。

1.2 地下水作用

隧道底部巖體在開挖初期完整性較高，隨著時間推移，隧道底部巖體在地下水等因素作用下逐漸發(fā)生劣化，導(dǎo)致其完整性變差。在動荷載反復(fù)作用下超孔隙水壓力使施工縫逐漸貫通，地下水?dāng)y帶的泥沙進(jìn)入裂縫后難以排走，致使道床板與仰拱填充層頂面間水平施工縫逐漸貫通。同時，地下水也會作用在中心水溝側(cè)壁上，造成局部溝壁向溝心傾斜，溝壁與仰拱填充分離，形成縱向裂縫。

1.3 仰拱結(jié)構(gòu)

由于施工單位沒有對仰拱引起足夠重視，導(dǎo)致仰拱結(jié)構(gòu)自身存在問題導(dǎo)致病害，如仰拱底鼓的本質(zhì)原因是由于支護(hù)與圍巖關(guān)系中支護(hù)（仰拱結(jié)構(gòu)）強(qiáng)度不足以承受圍巖荷載帶來的壓力，在圍巖靜載已經(jīng)確定的情況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響仰拱是否底鼓的核心問題，主要包括仰拱厚度、強(qiáng)度以及曲率等。

2 隧道仰拱缺陷與變形病害

通過對某省高速公路400 余座（單洞）公路隧道的調(diào)查與檢測，發(fā)現(xiàn)45 座隧道存在嚴(yán)重病害，主要病害類型有3 種，分別為仰拱變形、襯砌嚴(yán)重裂損、滲水掛冰，其中仰拱變形21 座，襯砌嚴(yán)重裂損16 座，滲水掛冰8 座。調(diào)查表明，雖然在400 余座隧道病害形式中以襯砌裂損最多，但是從嚴(yán)重影響行車安全、結(jié)構(gòu)安全的隧道病害來看，仰拱變形與襯砌嚴(yán)重裂損為主要類型。

通過對該省運(yùn)營公路隧道的調(diào)查，仰拱變形病害主要表現(xiàn)形式有：路面隆起、墻腳下沉、電纜槽側(cè)壁傾斜、路面縱向拉裂錯臺等。

3 隧道仰拱缺陷與變形病害治理措施

質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致隧道病害產(chǎn)生的重要原因之一，部分情況下的隧道外觀病害是內(nèi)在缺陷的外在表現(xiàn)形式，對于隧道仰拱病害與缺陷處治，需要考慮以下4 點(diǎn)：

（1）病害與缺陷組合情況；（2）病害發(fā)展程度、趨勢以及對隧道結(jié)構(gòu)長期安全穩(wěn)定性的影響；（3）地質(zhì)、地下水情況；（4）維修措施的施工便利性、快捷性。

基于以上考慮，應(yīng)對仰拱缺陷及病害發(fā)展程度分類處治，而不是一概采取拆換處治，那樣只會對隧道結(jié)構(gòu)造成較大的擾動破壞。

通常按以下幾類處治：

（1）病害已經(jīng)顯現(xiàn)且有發(fā)展趨勢（出現(xiàn)較為嚴(yán)重的路面底鼓、墻腳沉降）或質(zhì)量缺陷嚴(yán)重（實際無仰拱且芯樣松散、基底圍巖軟弱），已經(jīng)危及到行車安全，結(jié)構(gòu)承載能力嚴(yán)重降低的，采取重處治手段，一般以拆換為主。

（2）有一定程度的缺陷（芯樣厚度欠缺或局部松散、基底圍巖較軟弱），雖已產(chǎn)生病害，但是病害無明顯發(fā)展趨勢，考慮到病害及缺陷對結(jié)構(gòu)的削弱作用，影響結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性與耐久性，可采取中等處治手段，以加固為主。

仰拱拆換是隧道仰拱缺陷與病害處治的最常用手段之一，目前已經(jīng)較為成熟，本文不再贅述。

對于仰拱與填充層鉆探芯樣厚度欠缺或局部松散、基底圍巖較軟弱，但是目前尚無明顯變形病害，可采取加固處治，有時候為了減小開挖過深，減小結(jié)構(gòu)擾動，也會傾向于采取加固處治方案。

有時隧道附近不具備交通分流條件，如果采用仰拱開挖方案，通常要中斷交通，社會影響太大，此時采用隧道加固方案可以實現(xiàn)邊通車邊施工，即一次施工半幅，另半幅通行車輛，具有一定的社會效益。當(dāng)然如果能將大型車輛提前分流至附近路網(wǎng)通行，不進(jìn)入隧道，對于施工安全更好。

加固方案通常采取注漿錨管、鋼管樁等對仰拱、填充層、基底圍巖進(jìn)行加固。為了注漿鋼管樁能夠整體受力，在鋼管樁上部采用橫向型鋼支撐連接，橫向支撐兩側(cè)通過縱向槽鋼焊接形成整體，相鄰橫向支撐之間采用縱向鋼筋焊接。為了提高混凝土底板上緣受拉能力，設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片采用架立鋼筋與型鋼橫向支撐連接，如圖1 所示。

圖1 仰拱加固方案示意

現(xiàn)場實施時需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）開挖深度不宜太深，通常以型鋼橫向支撐兩側(cè)位于電纜槽底部進(jìn)行控制，需注意恢復(fù)混凝土底板下部排水設(shè)施，尤其是地下水較發(fā)育的隧道，可采用兩側(cè)拉槽埋設(shè)縱向排水盲溝（管），并間隔設(shè)置橫向排水盲溝（管），與下游既有排水設(shè)施通過檢查井銜接。

（2）注漿作業(yè)需要注意防止堵塞排水管路。鎖腳錨管端頭采用鋼墊板加強(qiáng)與墻腳襯砌的連接，如果能將襯砌表面混凝土鑿除露出鋼筋，鋼墊板與鋼筋焊接，效果會更好。底板施工縫與原來的施工縫對接一致，即整板施工，這樣以利于與襯砌結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，改善受力。

（3）仰拱加固的連接作業(yè)較多，應(yīng)可靠。型鋼橫向支撐一般采用I28 工字鋼，縱向間距1m，兩側(cè)與縱向32a 槽鋼焊接，槽鋼與兩側(cè)斜向下的注漿鋼管樁焊接，槽鋼需要在對應(yīng)鋼管樁位置開孔，鋼管樁端頭開孔穿插鋼筋與槽鋼連接。整幅施工最好，對于邊通車邊施工需要分幅施工時，應(yīng)做好中間連接，型鋼中部錯縫斷開，采用高強(qiáng)螺栓與鋼墊板連接，上部鋼筋網(wǎng)也錯縫斷開然后焊接，新澆筑混凝土與后澆筑混凝土界面應(yīng)鑿毛，在澆筑混凝土之前，一定要清除灰漿、碎屑等垃圾，即混凝土底板下方應(yīng)保持干凈、平整。

（4）雖然加固方案開挖深度相對較小，但是也不能一次性開挖縱向進(jìn)尺過大，一般控制在一板襯砌長度范圍（9m）之內(nèi)，并且應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測。

4 結(jié)束語

綜上所述，引起隧道仰拱病害的原因是多方面的，而且有些是無法預(yù)測的，這就需要在保證仰拱施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過檢查及時發(fā)現(xiàn)仰拱結(jié)構(gòu)病害，并分析病害產(chǎn)生原因，采取相應(yīng)治理措施，解決隧道仰拱病害，從而保證隧道正常運(yùn)營。